Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Гальванический элемент

Ряд стандартных электродных потенциалов (СЭП)

Расположив металлы в ряд по мере возрастания алгебраической величины их стандартных электродных потенциалов E получают ряд СЭП.

Свойства ряда напряжений:

1) Чем меньше величина E металла, тем легче он отдает электроны (окисляется) и тем труднее его ионы присоединяют их обратно (восстанавливаются.

Положение лития и натрия в ряду напряжений не соответствует их активностям в металлическом состоянии. Это связано с большими значениями энергий гидратации этих металлов.

2) Каждый предыдущий металл активнее последующего и поэтому может вытеснять его из растворов солей:

Пример. Опыт «Сатурново Дерево».

3) Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, могут вытеснять его из растворов кислот, у которых функцию окислителя выполняет катион водорода (HCl – разбавленная и концентрированная, H₂SO₄ – разбавленная).

4) Чем дальше металлы находятся друг от друга в ряду напряжений, тем выше значений ЭДС гальванического элемента, сконструированного на их основе.

Гальванический элемент – это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую.

Рассмотрим систему, в которой не один, а два каких-нибудь металла, например цинк и медь, в виде пластинок опущены в растворы своих солей.

Пусть концентрации солей взяты такими, чтобы ионы Zn²⁺ переходили из металла в раствор, а ионы Си²⁺ - из раствора на металлическую пластинку. В этом случае на цинковой пластинке будет избыток электронов, а на медной - избыток положительных ионов (или, что-то же самое, недостаток электронов)

Если пластинки соединить металлическим проводником, то из­быточные электроны с цинковой пластины начнут переходить на медную пластину. Это нарушает равновесие двойного электрического слоя на обеих пластинах. Поэтому с цинковой пластины выделится вновь некоторое число ионов Zn²⁺ в раствор, а на медной пластике разрядится соответствующее число ионов Си²⁺.

В результате снова возникает разность потенциалов между пластинами, снова часть электронов с цинковой пластины перейдет по металлическому проводнику на медную и т.д.

Таким образом, возникает самопроизвольно протекающий процесс, при котором цинковая пластина растворяется, а на медной разряжаются ионы Си²⁺ и выделяется металлическая медь. В результате этого процесса во внешнем проводнике, соединяющем пластины, возникает электрический ток.

Рассмотренный принцип и лежит в основе работы любого гальванического элемента, т.е. устройства, дающего возможность получать электрический ток за счет проведения той или иной химической реакции.

В основе работы всякой гальванической цепи лежит окислительно-восстановительное реакция, проводимая так, что на отрицательном электроде происходит окисление, а на положительном - восстановление.

Так, в основе рассмотренного выше элемента (элемент Якоби) лежит реакция

Zn + Си²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Или Zn + CuSО₄ = ZnSО₄ +Cu

Проводя эту реакцию в гальваническом элементе, мы разделяем процессы окисления и восстановления, осуществляя их на различных электродах. На отрицательном электроде происходит окисление цинка

Zn – 2e = Zn²⁺;

на положительном - восстановление меди

Си²⁺ + 2e = Cu.

Схематически происходящие процессы можно выразить следующим образом.

Схема гальванического элемента:

Электрическая работа, получаемая с помощью гальванического элемента зависит от условий, в которых работает элемент, и будет наибольшей, когда элемент работает в условиях, наиболее близких к обратимым. В этих условиях разность потенциалов между электродами элемента максимальна.